Consideraciones de tiempo real y latencia

Un sistema de tiempo real debe responder dentro de un plazo límite. Incumplir los plazos provoca un fallo:

• Tiempo real estricto: incumplir el plazo supone un fallo del sistema (medicina, aviónica)
• Tiempo real flexible: incumplir los plazos degrada la calidad, pero se tolera (audio, vídeo)

El código de tiempo real prioriza una temporización predecible sobre el rendimiento máximo. Se prefiere una función que siempre tarde 10us a otra que tarde entre 1 y 20us.

Las operaciones del heap son impredecibles debido a la fragmentación y a las decisiones del asignador. Asigne memoria durante el arranque y reutilícela. Los estándares de programación embebida suelen prohibir new fuera de init.

Lanzar excepciones tiene un coste impredecible. La mayoría del código C++ de tiempo real se compila con -fno-exceptions.

Las funciones virtuales añaden una indirección y pueden alterar la predicción de saltos. Utilice plantillas o CRTP para obtener polimorfismo estático.

Los bloqueos pueden provocar una inversión de prioridades: un hilo de baja prioridad que mantiene un bloqueo bloquea a otro de alta prioridad. Las estructuras de datos sin bloqueos evitan este problema.

Si debe utilizar bloqueos, prefiera los que admitan herencia de prioridades: el sistema operativo eleva temporalmente la prioridad del hilo que mantiene el bloqueo.

Analice la ruta más desfavorable de su código. Las herramientas y el análisis manual permiten estimar el número máximo de ciclos que puede tardar una función. El WCET determina las decisiones de planificación.

Para tiempo real estricto, utilice un RTOS (FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) o bare-metal. Los sistemas operativos de propósito general pueden retrasar su tarea indefinidamente.

Los fallos de caché y de la TLB provocan esperas impredecibles. Bloquee los datos en la caché o utilice RAM scratchpad para las secciones más críticas.

Asigne memoria desde pools de tamaño predefinido en lugar de utilizar el heap general. La asignación y liberación tienen un tiempo constante. Muchos proyectos de C++ embebido dependen exclusivamente de ellos.

El rendimiento en una estación de trabajo tiene poca relación con el rendimiento en un MCU. Mida siempre el rendimiento en el hardware de destino con una carga realista.

El C++ de tiempo real prioriza la previsibilidad sobre el rendimiento máximo. Evite el heap, las excepciones, las llamadas virtuales y los bloqueos gestionados por el sistema operativo. Utilice memoria estática, pools de memoria y estructuras sin bloqueos, y analice el tiempo de ejecución en el peor caso. Mida el rendimiento en el destino real.